塑料機泵浦噪音之排除研究

　　本文將針對工具機或塑料射出成型機常見的異常問題－晨動與噪音，作異常現象的診斷工作，配合CNC實驗室的頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)，以加速規和分貝計作感應器，除了找出若干的問題點，并成功的將馬達支撐架 的徑向振動量由38mg降到6.7mg（在馬達一倍轉速下），噪音計所量測到的音壓準位(Sound Pressure Level)由原來的91.8db降到82.5db。在振動量上改善5.2倍，噪音減少9.3db。（注：改善二 倍為減少6db）

　　本文將陳述整個振動與噪音診斷的過程，并將建議幾個改善方案。此些改善方案將在日 后做機臺實驗測試，以期能得更佳的音質與機器性能。

二、振動與噪音的來源

　　機器所產生的振動與噪音原因甚多，隨著機器與應用范圍的不同，很難分析歸納出一套 完整的規則，需憑經驗多方評估之。通常機械所產生的振動與噪音原因如下： 　

1.機械元件裝配欠佳： 　　　　

轉動軸的連接發生未對準或不對心的問題，皮帶裝配過松、齒輪接觸偏斜，皆會產生振動和不必要的噪音。

2.機械元件不平衡或損壞 　　　　

齒輪、輪葉片、主軸的質量分配不均勻，會在徑向產扛不平衡的振動量。而軸承中的滾珠受損，或內、外圈軌道有凹痕、異物等情形，皆會產生振動和噪音。

3.熱變形造成精度喪失： 　 　　　　

以工具機的球螺桿而言，若預拉值不夠，當持續運轉時，溫升熱變形將使球螺桿彎曲，而使磨擦加大，亦會引起振動。

4.外力造成強力振動：

由于外力的激振源迼成物體的強制振動，可以找出激振源來排除。

三、馬達與油壓泵之振動特性： 　

1.馬達：

圖1 馬達與油壓泵的配置圖 塑料成形機的馬達與油壓泵之配置如Fig.1所示，馬達軸與油壓泵軸承靠聯軸器(Couping)來聯接。馬達的轉速約為1170rpm，相當于1170/60＝19.5Hz。故正常馬達的振動特性為在徑向產生，一倍轉速的振動速號,并在其倍頻（1×轉速、2 ×轉速、…n×轉速）產生諧波(harmonic wave)。

2.油壓泵：

目前射出機所使用的油壓泵為輪葉式(Vane)油壓泵，其特性如Fig.2 所示。

Fig.2所示A.B兩圖呈偏心，A回轉而B固定。A圖上的轉葉,可在槽中自由的移動。輪葉亦會因離心力的作用而與外壁接觸，產生碰撞(Impact)，而發生 振動。故當油壓泵的輪葉數為n片時，馬達轉一圈時，其完成n個周期，故泵的 振動皆發生于n倍的轉速。故目前射出成型機所使用的油壓泵而言，為12片之輪葉，故其振動發生于12倍轉速下，和12倍轉速的倍頻（24倍、36倍、48倍……）諧波上。

四、塑料射出成形機的振動和噪音量測：

圖3 實驗量測架圖 針對機臺作測量，并于在線找一音質好機臺作比較。以頻譜分析儀(Hp3566A)來測量， 分別將加速規(Accelermeter)置于馬達支撐架的徑向與軸向位置，并加上分貝計量測主要噪 音的頻率，量測位置如Fig.3所示。因工廠白天環境噪音過大，無法真正的測量到油壓泵的 振動噪音，故選擇量測時間為廠內停機時后，約晚上8:00～10:00左右。

　　Fig.4顯示實驗量測的原始振動量與噪音值。由圖可知無論任何機臺的振動和噪音值皆 1170rpm 發生在12倍轉速處(─────×12＝235.5Hz)與12倍頻諧波（24f、36f、48f……72f，f為 60 馬達的轉速）。此現象非常的“明顯”與“規律”，證明噪音的來源大都來自油壓泵的葉片 拍打油壓之聲音。另外我們可以在Fig.4所示分貝計的訊號上，看到在頻率1-3附近，可看到 一明顯的波峰值，此值經證明為馬達切割磁力線所產生的高頻噪音，此情形己經換馬達而獲 得改善。Fig.4亦顯示了一趨勢，分貝計所量到分貝值較大處對相應頻率的振動值亦較大。 若能改善振動的話，則亦能減少噪音的發生。亦即在此案例下，振動→（相關性）←噪音。

(a)徑向

圖4 LK機型的原始振動量

(b)軸向　訊號

(c)分貝計　　　　　　　　　　　　

１.馬達與油壓泵之頻率反應圖\fs24 (FRF)

圖5 FRF實驗示意圖 塑料射出機所用馬達為19.5HZ的轉速頻率，根據以上的分析，在其倍頻和12倍的倍頻都會有較大的振動量，故我們將藉由敲鎚來敲得整系統的Freguency Response Function(FRF)，以確認是否會因“共振”引起較大的振動量。

　　在求FRF的模態測試中，實驗設備圖如Fig.5所示，主要是要求得油壓泵的振動響應行為 。 　　

1.FRF結果： 　　

　　由Fig.6的油壓泵頻率涵數響應圖得知在23HZ有一明顯的波峰值，此23HZ的波峰值與馬 達的轉速頻率20HZ非常接近，在振動行為上會發生所謂“共振resonance”的現象，造成油 壓泵的轉軸在徑向會有很大的振動量，進而使得油壓泵在12倍的轉速下，葉片拍打油的聲音 亦會增大。若能將23HZ的波峰往較高頻處移動，亦即向右移，使其遠離轉速頻率，將可使噪音值改善。

五、改善方案： 　　

　　根據前述的分析，SQP21之油壓泵懸掛于馬達上，造成馬達轉速頻率(20HZ)，接近于共 振頻率(23HZ)，基于此特性，在改善的過程中，即著重于改善油壓泵的支撐剛性，使得共振 頻率能夠遠離轉速頻率。一般而言，噪音問題的傳遞路徑可分為二大類。一為Air Born（經由空氣傳遞），另一為Structure Born（經由結構傳遞）。其與頻率高低的關系如下：

　　 以此次油壓泵的聲音過大而言，12倍轉速頻率為12×19.5HZ＝235HZ，屬于400HZ以下， 且由圖四觀察來看，噪音與振動有相對的關系，故擬從結構改善著手。為了確定改善結構對振動與噪音的“有效性”，可從質量法與剛性法來著手。

(A) 質量法 改變結構共振頻率 降低振幅 需嘗試不同質量大小與位置

(B)　剛性法 補強位置要正確 需對模態特性有初步了解 需配合敲擊驗 Stittness 剛性

　　由于馬達與Pump安置于機架中，其中還有油壓管路的分布，較難用質量法來確認，采用 剛性法來確認。

改善結果：

圖7 支撐改善示意圖 將泵的支持方式加上一支撐栓和一橡皮阻尼器(Rubber Damper)，如Fig.7所示。 　　　　

　　改善前后之徑向、軸向振動量與分貝計所量測到噪音值如Fig.8所示。（量劑moter＋SQ P21之PUMP）。 在徑向的振動量方面，在一倍轉速下振動量由38mg下降到6.7mg，而在12倍轉速之輪葉 拍打振動量從50mg改善到6.0mg。相同的軸向的振動量上，一倍轉速己從10.1mg改善到9mg， 在12倍轉速下的振動已由37mg下降到21.5mg。

另外Fig.9顯示了改善前、后以分貝計所量測出來的音壓準位\fs24 (Sound Pressure Level)，已經由原來的91.8db降到改善后82.5db，在聲音的質量上已經獲得很明顥的改善。 亦足以證明本次從振動的觀點來解決噪音問題，能夠獲得有效的改善。

六、結論

（一）油壓泵支撐架的最佳位置選擇： 　　

在剛性法中提及加入一剛性物體，來改變系統的特性，可有效的改善音質。但支撐栓的 放置地點，剛關系著支撐栓對pump的滅振效果。吾人曾經在計算機上建立了一簡單的有限元素模型，來測試支撐栓對系統剛性的影響。如 Fig.7所示，當距離d漸漸變大時，整個系統剛性變強，自然頻率亦隨之上升，故在支撐栓位 置對噪音的改善關系上，有待實驗測試之！

（二）阻尼層(damper)的被覆： 　　

利用阻尼(damping)的效應，可降低振動的振幅。由于輪葉式的油壓泵，為一離心且偏 心式的旋轉輪葉，其振動量直接應在油壓泵的外壁上，且局部區域振動量最大。 　　市面上所售之“隔振漆”，可涂抹于油壓泵的外壁，來控制振動量。其利用涂抹的厚度 來控制阻尼值，但必須考慮到其熱傳問題。

（三）油壓泵之支撐栓的設計可作適當的改善，例如加大支撐栓的尺寸（外徑），可提高系統的剛性。

（四）此次改善，在馬達支撐架上的徑面振動量，已從一倍轉速下的38mg降到6.7mg，改善了82％，噪音值從91.8db降到82.5db，而測量出91.8db之音量是在晚上工廠停機所測量，82.5db測于白天量測．已有受到工廠環境噪音的影響，但仍小于91.8db。